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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010764654.7 (22)申请日 2020.07.31 (71)申请人 北京理工大学 地址 100081 北京市海淀区中关村南大街5 号 (72)发明人 王伟达杨超张宇航王伟 马正项昌乐 (74)专利代理机构 成都方圆聿联专利代理事务 所(普通合伙) 51241 代理人 李鹏 (51)Int.Cl. B60W 30/09(2012.01) B60W 30/10(2006.01) B60L 15/38(2006.01) B60K 7/00(2006.01) (54)发明。
2、名称 一种四轮分布式电驱动自动驾驶车辆的容 错循迹控制方法 (57)摘要 本发明提供一种四轮分布式电驱动自动驾 驶车辆的容错循迹控制方法。 该方法依托于典型 四轮分布式电驱动车辆结构。 首先通过各车载传 感器和参数观测器实现轮毂电机输出扭矩与故 障系数的实时获取； 然后对车辆动力系统是否进 入故障状态进行判断， 若轮毂电机处于故障状 态， 则进入所设定的容错循迹环节； 通过对当前 车辆的故障模式进行判断， 对于不同的故障模 式， 采取不同的控制逻辑， 最终实现车辆容错控 制或紧急避险。 本发明在针对分布式电驱动自动 驾驶车辆动力系统出现的不同故障情况， 利用不 同的应对方式和控制策略尽可能保证。
3、车辆稳定 性和安全性， 保障乘员和货物安全。 权利要求书2页 说明书5页 附图5页 CN 111845734 A 2020.10.30 CN 111845734 A 1.一种四轮分布式电驱动自动驾驶车辆的容错循迹控制方法， 其特征在于， 包括以下 步骤： S0： 初始条件的设置； 四轮分布式电驱动自动驾驶车辆在四个车轮内分别安装轮毂电机以提供动力； 在正常 行驶时各轮毂电机的实际输出扭矩为Ti， i1,2,3,4， 分别对应左前轮、 右前轮、 左后轮、 右 后轮， 其值与车辆循迹所需输出扭矩Tri相等， i1,2,3,4， 各轮毂电机输出扭矩均由对应的 电机控制器单独控制， 相互独立； 设定各。
4、轮毂电机故障系数为 i， i1,2,3,4， 其值为轮毂电机实际输出扭矩Ti与所需输 出扭矩Tri的比值， 取值范围为0,1； 车辆各轮毂电机故障系数为1时为理想工作状态； 当某 轮毂电机故障系数为0时表示该轮已完全失去电机驱动力； 某轮毂电机故障系数在0和1之 间时表示该轮电机仍能提供部分所需驱动力矩； 设置轮毂电机故障标识Si， i1,2,3,4， 某轮毂电机正常工作时Si为0， 若处于故障状 态， 则Si置为1； 动力系统故障无法通过重启电机方式在短时间内恢复或车辆所处状态不具备进行立 即修复的条件； S1： 轮毂电机输出扭矩与故障系数的获取； S2： 故障诊断和容错循迹， 流程如下： 。
5、首先， 对车辆动力系统是否进入故障状态进行判断； 如果某一轮毂电机故障系数在0.8 以下保持超过10s或在0.2以下保持超过2s， 则认定该轮毂电机处于故障状态， Si置为1， 进 入容错循迹环节； 在容错循迹环节中， 首先需要对当前车辆的故障模式进行判断， 以确定当前情况车辆 是否处于可控状态： 根据故障轮毂电机的数量和位置， 将车辆故障模式分为6种， 包括： 任 意位置单个电机故障； 同侧两电机故障； 异侧同轴两电机故障； 异侧不同轴两电机故 障； 任意位置三电机故障； 四电机全部故障； 根据工程经验， 至故障模式下车辆仍 处于可控状态， 在第类故障模式下， 车辆处于完全不可控状态； S3。
6、： 对于不同的故障模式， 采取不同的控制逻辑： (1)车辆处于故障模式中的任意一种时， 车辆处于可控状态， 并可以通过其他 正常工作的轮毂电机和主动转向系统实现车辆横、 纵向驱动力的补偿， 通过补偿， 车辆可以 在类故障模式下实现容错循迹； (2)车辆处于第类故障模式时， 车辆虽然处于可控状态， 但只能以极低速度行驶， 且 面对复杂路径无法进行有效循迹； 此时车辆VCU通过CAN总线向路径规划层报告故障发生； 路径规划层接收来自CAN总线的故障报告后， 放弃原规划路径， 根据当前车辆行驶环境以安 全的停泊点为目标进行重新规划路径； 车辆VCU对重新规划的路径进行跟踪， 低速行驶并最 终在安全停。
7、泊点停车； (3)车辆处于第类故障模式下时， 车辆处于不可控状态； 此时车辆无法进行紧急避 险， 无论当前车辆所处行驶环境能否保证车辆紧急制动时的安全性， 均应采取制动措施， 即 车辆主动切断轮毂电机的能源供应， 并由线控制动系统按照此时车辆的行驶速度采取紧急 制动或控制减速度的制动方案。 2.根据权利要求1所述的一种四轮分布式电驱动自动驾驶车辆的容错循迹控制方法， 权利要求书 1/2 页 2 CN 111845734 A 2 其特征在于， S1： 轮毂电机输出扭矩与故障系数的获取， 包括： 四轮分布式电驱动自动驾驶车辆的当前行驶状态可由相关车载控制器获得， 传感器信 号通过CAN总线传输至V。
8、CU； 车辆的参考行驶状态由车辆规划决策层在车载工控机中计算提 供， 通过CAN总线传输至VCU； 根据车辆当前行驶状态和参考行驶状态之间的偏差， VCU通过 已有循迹控制策略计算出轮毂电机所需输出扭矩； 各轮毂电机实际输出扭矩是通过在VCU中设置的卡尔曼滤波观测器基于车速传感器、 横摆角加速度传感器、 车轮轮速传感器的测量值进行实时估计； 轮毂电机的故障系数由实际输出扭矩的实时估计值和所需输出扭矩计算求得。 3.根据权利要求1所述的一种四轮分布式电驱动自动驾驶车辆的容错循迹控制方法， 其特征在于， S3步骤(1)中所述的补偿， 方法为： 将故障系数 i引入原有控制策略， 重新整合 为容错循迹。
9、控制策略， 在转向时通过直接横摆力矩控制方法， 利用正常工作的轮毂电机进 行横摆力矩补偿， 若所需横摆力矩补偿值过大， 超出轮毂电机工作极限， 则由主动转向系统 提供额外的横摆角补偿； 在直线行驶时， 对于因轮毂电机故障导致的车辆横摆， 仅由主动转 向系统提供横摆角补偿。 4.根据权利要求1所述的一种四轮分布式电驱动自动驾驶车辆的容错循迹控制方法， 其特征在于， S3步骤(3)中， 若此时车辆行驶速度未超过低速限制值或行驶速度虽然超过低 速限制值但行驶环境具备车辆紧急制动的条件， 则制动器进行紧急制动； 若此时车辆行驶 速度超过低速限制值且行驶环境不具备紧急制动条件， 应保证车辆制动减速度不超。
10、过安全 制动减速度， 以尽可能避免因突然制动导致的问题。 权利要求书 2/2 页 3 CN 111845734 A 3 一种四轮分布式电驱动自动驾驶车辆的容错循迹控制方法 技术领域 0001 本申请涉及车辆技术领域， 尤其是涉及一种四轮分布式电驱动自动驾驶车辆的容 错循迹控制方法。 背景技术 0002 四轮分布式电驱动自动驾驶车辆在遵循预设轨迹行驶时存在一个或多个轮毂电 机故障， 无转矩输出或只能提供部分所需驱动力矩的情况， 会造成车辆在原定控制律下难 以跟踪预设轨迹的问题， 甚至存在车辆失稳风险， 影响车辆安全性。 0003 当前对于四轮分布式电驱动自动驾驶车辆的故障处理方式较为简单， 一般。
11、通过对 故障信息进行诊断， 获得故障信息等级后， 根据故障信息的等级进行处理。 当故障等级较低 时一般不进行主动处理， 而当故障等级超过某一阈值后， 一般采取控制车辆返回车辆维修 点或紧急制动的方式进行处理。 然而对于四轮分布式电驱动自动驾驶车辆， 当其动力系统 发生故障时， 往往无法返回车辆维修点， 只能进行紧急制动， 而且即便故障等级未超过阈 值， 也有可能造成车辆偏离预设轨迹， 甚至车辆失稳， 发生事故。 因此现有的四轮分布式电 驱动自动驾驶车辆的故障处理措施具有一定的安全风险。 发明内容 0004 本申请的目的在于提供一种四轮分布式电驱动自动驾驶车辆的容错循迹控制方 法， 在车辆发生驱。
12、动系统故障， 轮毂电机无法提供所需转矩时保障车辆沿规划路径行驶或 进行紧急避险， 以提升车辆安全性。 0005 一种四轮分布式电驱动自动驾驶车辆的容错循迹控制方法， 包括以下步骤： 0006 S0： 初始条件的设置； 0007 四轮分布式电驱动自动驾驶车辆在四个车轮内分别安装轮毂电机以提供动力； 在 正常行驶时各轮毂电机的实际输出扭矩为Ti， i1,2,3,4， 分别对应左前轮、 右前轮、 左后 轮、 右后轮， 其值与车辆循迹所需输出扭矩Tri(i1,2,3,4)相等， 各轮毂电机输出扭矩均由 对应的电机控制器单独控制， 相互独立； 0008 设定各轮毂电机故障系数为 i(i1,2,3,4)，。
13、 其值为轮毂电机实际输出扭矩Ti与 所需输出扭矩Tri的比值， 取值范围为0,1； 车辆各轮毂电机故障系数约为1时为无故障状 态； 当某轮毂电机故障系数为0时表示该轮已完全失去电机驱动力； 某轮毂电机故障系数在 0和1之间时表示该轮电机仍能提供部分所需驱动力矩； 0009 设置轮毂电机故障标识Si(i1,2,3,4)， 某轮毂电机正常工作时Si为0， 若处于故 障状态， 则Si置为1； 0010 动力系统故障无法通过重启电机方式在短时间内恢复或车辆所处状态不具备进 行立即修复的条件； 0011 S1： 轮毂电机输出扭矩与故障系数的获取， 方法为： 0012 四轮分布式电驱动自动驾驶车辆的当前行。
14、驶状态可由相关车载传感器获得， 传感 说明书 1/5 页 4 CN 111845734 A 4 器信号通过CAN总线传输至VCU。 车辆的参考行驶状态由车辆规划决策层在车载工控机中计 算提供， 通过CAN总线传输至VCU。 根据车辆当前行驶状态和参考行驶状态之间的偏差， VCU 可以通过已有循迹控制策略计算处轮毂电机所需输出扭矩。 0013 由于存在因电机控制器故障而导致动力系统故障的情况， 因此轮毂电机输出扭矩 不能通过其对应的电机控制器直接获得。 在本技术方案中， 各轮毂电机实际输出扭矩是通 过在VCU中设置的参数实时观测器基于车速传感器、 横摆角加速度传感器、 车轮轮速传感器 的测量值进。
15、行实时估计。 轮毂电机的故障系数则由实际输出扭矩的实时估计值和所需输出 扭矩计算求得。 0014 S2： 故障诊断和容错循迹， 流程如下： 0015 首先， 对车辆动力系统是否进入故障状态进行判断。 若某一轮毂电机的故障系数 在一较高阈值之下(该阈值一般应在0.7,0.9区间内)保持较长时间或在一较低阈值(该 阈值一般应在0.3,0区间内)保持一定时间， 则认定该轮毂电机处于故障状态， Si置为1； 进入所设定的容错循迹环节。 0016 在容错循迹环节中， 首先需要对当前车辆的故障模式进行判断， 以确定当前情况 车辆是否处于可控状态。 根据故障轮毂电机的数量和位置， 将车辆故障模式分为6种， 。
16、包括： 任意位置单个电机故障； 同侧两电机故障； 异侧同轴两电机故障； 异侧不同轴两电 机故障； 任意位置三电机故障； 四电机全部故障。 根据工程经验， 至故障模式下车 辆仍处于可控状态， 在第类故障模式下， 车辆处于完全不可控状态。 0017 S3： 对于不同的故障模式， 采取不同的控制逻辑， 如下所述： 0018 (1)车辆处于故障模式中的任意一种时， 车辆处于可控状态， 并可以通过 其他正常工作的轮毂电机和主动转向系统实现车辆横、 纵向驱动力的补偿， 补偿方法如下： 将故障系数 i引入原有控制策略， 重新整合为容错循迹控制策略， 在转向时利用正常工作 的轮毂电机进行横摆力矩补偿， 若所需。
17、横摆力矩补偿值过大， 超出轮毂电机工作极限， 则由 主动转向系统提供额外的横摆角补偿； 在直线行驶时， 对于因轮毂电机故障导致的车辆横 摆， 仅由主动转向系统提供横摆角补偿。 通过上述补偿方法， 车辆可以在类故障模 式下实现容错循迹。 0019 (2)车辆处于第类故障模式时， 车辆虽然处于可控状态， 但只能以极低速度行 驶， 且面对复杂路径无法进行有效循迹。 此时车辆VCU通过CAN总线向路径规划层报告故障 发生。 路径规划层接收来自CAN总线的故障报告后， 放弃原规划路径， 根据当前车辆行驶环 境以安全的停泊点为目标进行重新规划路径。 车辆VCU对重新规划的路径进行跟踪， 低速行 驶并最终在。
18、安全停泊点停车。 0020 (3)车辆处于第类故障模式下时， 车辆处于不可控状态。 此时车辆无法进行紧急 避险， 无论当前车辆所处行驶环境能否保证车辆紧急制动时的安全性， 均应采取制动措施， 即车辆主动切断轮毂电机的能源供应， 并由线控制动系统按照此时车辆的行驶速度采取紧 急制动或控制减速度的制动方案。 若此时车辆行驶速度未超过低速限制值或行驶速度虽然 超过低速限制值但行驶环境具备车辆紧急制动的条件(即紧急制动不会导致安全隐患)， 则 制动器进行紧急制动； 若此时车辆行驶速度超过低速限制值且行驶环境不具备紧急制动条 件， 应保证车辆制动减速度不超过安全制动减速度， 以尽可能避免因突然制动导致的。
19、追尾 等问题。 说明书 2/5 页 5 CN 111845734 A 5 0021 本发明在针对分布式电驱动自动驾驶车辆动力系统出现的不同故障情况， 利用不 同的控制方法和补偿方式尽可能在保证车辆安全性的前提下实现车辆容错循迹或实现紧 急避险。 附图说明 0022 图1为本发明分布式电驱动车辆结构示意图； 0023 图2为本发明分布式电驱动车辆信号流示意图； 0024 图3为本发明技术方案总架构图； 0025 图4为本发明故障诊断逻辑示意图； 0026 图5为本发明容错循迹控制流程图。 具体实施方式 0027 结合实施例说明本发明的具体技术方案。 0028 S0： 初始条件的设置； 0029 。
20、默认四轮分布式电驱动自动驾驶车辆基本结构示意图如图1。 本发明涉及的分布 式电驱动自动驾驶车辆结构主要包括车轮1、 轮毂电机2、 主动转向系统3、 动力电池组4、 DC/ DC组件、 VCU7(整车控制器)等， 主动转向系统3包括转向电机8和转向装置9。 四个轮毂电机2 在四个车轮1内部， 轮毂电机2与对应车轮1具有直接机械连接和支撑机构5。 车内设有动力 电池组4， 其电能一方面通过电机控制器6转换为三相电后为各轮毂电机2供能， 另一方面经 过DC/DC组件进行降压后为VCU7、 转向电机8等低压部件供能。 同时各轮毂电机2与其对应的 控制器之间、 各电机控制器6与VCU7之间、 转向电机8。
21、和VCU7之间均由CAN总线连接， 进行双 向信号传输。 0030 在正常行驶时各轮毂电机2的实际输出扭矩为Ti(i1,2,3,4， 分别对应左前轮、 右前轮、 左后轮、 右后轮)， 其值与车辆循迹所需输出扭矩Tri(i1,2,3,4)相等， 各轮毂电机 2输出扭矩均由对应的电机控制器6单独控制， 相互独立。 设定各轮毂电机故障系数为 i(i 1,2,3,4)， 其值为轮毂电机2实际输出扭矩Ti与所需输出扭矩Tri的比值， 取值范围为0, 1。 车辆各轮毂电机故障系数约为1时为无故障状态； 当某轮毂电机故障系数为0时表示该 轮已完全失去电机驱动力； 某轮毂电机故障系数在0和1之间时表示该轮电机。
22、仍能提供部分 所需驱动力矩。 设置轮毂电机故障标识Si(i1,2,3,4)， 某轮毂电机2正常工作时Si为0， 若 处于故障状态， 则Si置为1。 默认本技术方案所讨论的动力系统故障无法通过重启电机等方 式在短时间内恢复或车辆所处状态不具备进行立即修复的条件。 0031 本技术方案主要在车辆整车控制器VCU中进行， VCU及其相关部件信息传递示意图 如图2。 在车辆行驶过程中， 车载传感器为VCU提供相应的车辆状态及环境信息， 本发明中主 要使用的是轮速传感器采集的轮速信息； 车速传感器采集的车速信息； 横摆角加速度采集 的横摆角加速度信息； 激光雷达、 毫米波雷达采集的车辆周围环境信息。 以。
23、上信息主要通过 CAN总线传输给VCU。 同时VCU会接收来自规划决策层的参考轨迹信息， 其中包含车辆应达到 的参考速度、 加速度、 横摆角等。 在VCU中， 所接收的车速、 轮速和横摆角加速度信息通过预 设的参数实时观测器对车辆各轮毂电机实际输出转矩进行实时观测。 在本发明实施例中， 预设的参数实时观测器包括且不限于卡尔曼滤波(Kalman Filtering,KF)观测器、 扩展卡 说明书 3/5 页 6 CN 111845734 A 6 尔曼滤波观测器(Extended Kalman Filtering,EKF)、 无迹卡尔曼滤波观测器(Unscented Kalman Filter)、。
24、 龙伯格观测器(Luenberger Observer,LO)等， 其技术特征是通过车辆各 项观测数据， 对电机实际输出转矩Ti进行最优实时估计。 同时循迹控制器根据参考速度、 加 速度等参数与实际相应参数之间的偏差， 进行循迹控制， 计算得到车辆转向系统转向角以 及各轮毂电机应输出的参考输出扭矩Tri。 车辆转向系统转向角信息通过CAN总线发送给车 辆主动转向系统， 以实现车辆的转向控制。 而参考输出扭矩Tri的控制信号一方面通过CAN总 线发送给各轮毂电机控制器， 对应控制器通过调整输出到各轮毂电机的电压和电流实现对 轮毂电机输出转矩的控制； 另一方面发送给VCU内部的故障诊断模块。 故障。
25、诊断模块通过计 算判断各轮毂电机的故障系数和工作状态， 从而决定循迹控制器中是否采取容错循迹控制 策略， 以及决定是否进行制动。 在本发明实施例中， 车辆所采用的容错循迹控制方法包括但 不限于模糊逻辑PID控制(Fuzzy PID)、 自适应模型预测控制(Adaptive Model Predictive Control,AMPC)、 滑模控制(Sliding Mode Control,SMC)等， 其主要技术特征在于根据实时 获得的故障系数 i， 对原有控制结构进行实时调整， 使其在适应故障参数的变化的同时尽 可能减小车辆实际状态与参考状态之间的偏差， 实现车辆循迹控制。 0032 本发明所。
26、提出的四轮分布式电驱动自动驾驶车辆容错循迹方法总体架构如图3所 示。 为了具体说明其工作机制， 可假定车辆以50km/h的车速在城市环境中行驶， 其后20m处 有车辆跟驰。 则车辆按照以下步骤进行车辆容错循迹控制： 0033 S1： 轮毂电机输出扭矩与故障系数的获取。 对应参数按照上述VCU及其相关部件信 息传递流程即可获取。 0034 S2： 故障诊断和容错循迹， 流程如下： 0035 首先， 对车辆动力系统是否进入故障状态进行判断。 假定车辆动力系统故障状态 的判断标准如下， 如图4所示： 某一轮毂电机故障系数在0.8以下保持超过10s或在0.2以下 保持超过2s， 则认定该轮毂电机处于故。
27、障状态， Si置为1。 若车辆存在某一轮毂电机被判定 进入故障状态， 则进入本技术方案所设定的容错循迹环节。 0036 在容错循迹环节中， 首先需要对当前车辆的故障模式进行判断， 以确定当前情况 车辆是否处于可控状态。 根据故障轮毂电机的数量和位置， 将车辆故障模式分为6种， 包括： 任意位置单个电机故障； 同侧两电机故障； 异侧同轴两电机故障； 异侧不同轴两电 机故障； 任意位置三电机故障； 四电机全部故障。 根据工程经验， 至故障模式下车 辆仍处于可控状态， 在第类故障模式下， 车辆处于完全不可控状态。 0037 S3： 对于不同的故障模式， 采取不同的控制逻辑， 如下所述： 0038 (。
28、1)车辆处于故障模式中的任意一种时， 车辆处于可控状态， 并可以通过 其他正常工作的轮毂电机和主动转向系统实现车辆横、 纵向驱动力的补偿， 补偿方法如图 5。 例如， 假定该车辆处于故障模式， 其右前轮电机完全失去驱动能力， 同时其参考行驶轨 迹中有多个转向， 且经过计算， 车辆按照原有参考轨迹行驶所需横摆力矩已超过其余三个 轮毂电机所能补偿极限， 则根据图5所示流程， 将采取正常电机和主动转向系统协同补偿的 方式。 该协同补偿方式的主要技术特征在于， 利用直接横摆力矩力矩控制(DYC)对三个正常 电机进行控制， 使其出现差速、 差扭工况， 产生一定的横摆力矩； 同时利用主动转向系统， 通 过。
29、增大、 减小或波动式调节车轮转角， 与DYC所产生的横摆力矩结合， 实现车辆沿原有参考 轨迹行驶， 即实现容错循迹。 说明书 4/5 页 7 CN 111845734 A 7 0039 (2)假定车辆处于第类故障模式， 车辆虽然处于可控状态， 但只能以极低速度行 驶， 且面对复杂路径无法进行有效循迹。 此时车辆VCU通过CAN总线向路径规划层报告故障 发生。 路径规划层放弃原规划路径， 根据当前车辆行驶环境以最近的安全的停泊点为目标 进行重新规划路径。 车辆VCU对重新规划的路径进行跟踪， 低速行驶并最终在安全停泊点停 车。 0040 (3)车辆处于第类故障模式下时， 车辆处于不可控状态。 此。
30、时车辆无法向安全停 泊点行驶， 因此无论当前车辆所处行驶环境能否保证车辆紧急制动时的安全性， 均应采取 制动措施， 即车辆主动切断轮毂电机的能源供应， 并由线控制动系统进行制动。 根据城市交 通实际状况， 假定此时车辆的紧急制动条件为车辆行驶速度低于36km/h或车辆后方30m内 无车辆跟驰， 则可以看出本实施例中所提到的样例中车辆不满足紧急制动条件， 则需要根 据跟驰车辆速度与距离， 以一恒定制动减速度进行制动， 以尽可能为后方车辆提供反应时 间， 避免因突然制动导致的追尾等问题。 假定通过激光雷达等感知设备获得后方车辆车速 后计算得出安全制动减速度为4m/s2， 则该车辆应以不大于该安全减。
31、速度的制动减速度进 行减速度， 最后实现安全制动停车。 0041 需要说明的是， 以上所述仅为本发明的一个具体实例， 本发明不仅局限于上述所 实现的实施例， 凡在本发明的精神和原则之上所做的局部改动、 等同替换、 改进等均应包含 在本发明的保护范围之内。 说明书 5/5 页 8 CN 111845734 A 8 图1 说明书附图 1/5 页 9 CN 111845734 A 9 图2 说明书附图 2/5 页 10 CN 111845734 A 10 图3 说明书附图 3/5 页 11 CN 111845734 A 11 图4 说明书附图 4/5 页 12 CN 111845734 A 12 图5 说明书附图 5/5 页 13 CN 111845734 A 13 。